王昱圭,张榉,戴宏杰,2,3,冯鑫,马良,2,3,张宇昊,2,3*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(川渝共建特色食品重庆市重点实验室,重庆,400715)3(发光分析和分子传感教育部重点实验室,重庆,400715)

猪皮是猪肉加工副产物,约占猪胴体质量的10%,猪皮含水分46%,蛋白质26.4%,脂肪22.7%,灰分0.6%,其中胶原蛋白质量占蛋白质总质量的87.8%[1]。在食品行业中,猪皮被广泛应用于肉制品加工中,如香肠、肉糜等,以提高产品的持水性和嫩度,改善产品切片性等[2]。这是因为在乳化肉制品中,具有两亲性的大分子物质的添加能够改善体系稳定性,从而改善产品的持水性和质构特性[3]。胶原蛋白由于含有丰富的羟脯氨酸和脯氨酸而具有良好的乳化性和乳化稳定性,因此被应用于肠类肉制品、乳制品和焙烤类食品中[4]。WANG等[5]发现将胶原蛋白超细粉加入哈尔滨红肠中,红肠的弹性模量增加,肉糊稳定性增强,烹饪损失降低。明胶是胶原的部分水解产物,也具有一定的乳化性和乳液稳定性[6]。PARK等[7]将猪皮明胶加入香肠中,提高了香肠的持水力、黏度及蒸煮产量。但无论是胶原蛋白还是明胶均需经过较为繁琐的提取程序,限制了其在肉制品品质改善中的应用。相较而言,猪皮蛋白粉(porcine skin protein powder,PSPP)提取工艺较为简单,且成本低廉,这可能为其在乳化肉制品体系中的应用提供新思路。黄正芬等[8]研究表明PSPP比猪皮明胶具有更多的三螺旋结构,显示出更高的持水性和持油性。此外,本课题组前期研究发现[9],胶原基物质经过微凝胶化等适度处理后具有更好的乳化性。因此,以猪皮为原料制备乳化型PSPP,替代食品加工中使用的乳化剂,为清洁标签产品提供乳化解决方案具有理论可行性。结合目前已有报道,以PSPP作为乳化剂直接稳定乳液的研究仍相对较少。

因此,本研究以猪皮为原料,通过预煮、脱脂、干燥、超微粉碎等工艺得到PSPP,以大豆油为油相,研究了不同PSPP添加量对乳液性质的影响,主要包括乳液的外观、液滴尺寸大小、流变学特性、储存稳定性、离心稳定性和冻融稳定性进行研究,以评估PSPP的乳化特性,进而为猪皮的高附加值加工利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

猪皮,市售;蔗糖脂肪酸酯,上海源叶生物科技有限公司;大豆油,九三粮油工业集团有限公司。

1.2 设备与仪器

FA604B电子天平,上海精天电子仪器有限公司;MULTIFUGE X3高速冷冻离心机,赛默飞世尔科技中国有限公司;KQ3200DV超声波清洗仪,昆山市超声仪器有限公司;JZM-JR351绞肉机,中山市金正生活电器有限公司;SYFM-8Ⅱ超微粉碎机,济南松岳机器有限责任公司;BX53荧光正置显微镜,日本OLYMPUS公司;Mastersizer3000激光粒度仪,马尔文帕纳科公司;MCR302模块化旋转与界面流变仪,澳大利亚ANTON PAAR公司;HH-4数显恒温搅拌水浴锅,上海新诺仪器设备有限公司;T18高速分散器,美国IKA公司。

1.3 实验方法

1.3.1 PSPP的制备

将新鲜猪皮洗净后刮去油脂层,沸水预煮10 min后进一步刮去油脂层。用45 ℃的温水进行漂洗后,放入常温水中冷却,捞出沥干后用绞肉机进行绞碎。将猪皮块按料液比为1∶2.5(g∶mL)加入质量分数为0.06%蔗糖脂肪酸酯溶液中超声波脱脂(20 min、60 ℃、120 W),每10 min更换1次脱脂液;脱脂完成后用水清洗并沥干水分。将猪皮块放入烘箱干燥(12 h、55 ℃);将干燥猪皮块放入超微粉碎机中进行粉碎,得到的粉末即PSPP。

1.3.2 乳液的制备

取6 mL不同质量分数的PSPP分散液(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%),加入9 mL大豆油,通过高速分散处理(15 000 r/min、90 s)得到乳液。

1.3.3 乳液外观及光学显微镜观察

使用相机拍摄乳液外观照片,从宏观角度评价乳液的稳定性。用SDS(1%)将乳液按照1∶1体积比稀释,然后采用正置荧光光学显微镜观察其微观形貌。

1.3.4 液滴尺寸测定

用激光粒度仪对乳液液滴的尺寸进行测定。设定样品折射率为1.42,分散介质折射率为1.33,用d4,3表示液滴的平均直径。

1.3.5 乳液的流变学测试

采用模块化旋转与界面流变仪进行测定。夹具选用直径为25 mm的不锈钢板,测试间隙为1 mm。为确定乳液样品的线性黏弹区,将频率设置为1 Hz,在0.05%～100%的范围内进行应变扫描。

稳态剪切:25 ℃条件下,从0.1～100 s-1对乳液进行剪切扫描,获得样品黏度随剪切速率的变化曲线。

频率扫描:在固定应变0.1%,25 ℃条件下,从0.1～100 rad/s对样品进行频率扫描,获得乳液的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随角频率的变化曲线。

温度扫描:在温度扫描时,将样品放置于测试区域后,需在样品表面涂一层硅油防止样品中的水分蒸发从而影响测试。温度扫描分2段测定,在固定应变0.1%和固定频率1 Hz下进行,首先从25 ℃升至90 ℃,再从90 ℃降至25 ℃,速率均为5 ℃/min。

1.3.6 乳液稳定性测定

1.3.6.1 储存稳定性测定

将新鲜乳液放置于4 ℃冰箱中,记录并拍摄0 d和30 d的外观照片及微观结构图像,以评估乳液的储存稳定性。

1.3.6.2 离心稳定性测定

将新鲜乳液离心后(10 000 r/min、20 min、4 ℃),观察并拍摄乳液在离心前后的外观照片以评估乳液的离心稳定性。

1.3.6.3 冻融稳定性测定

将新鲜乳液-20 ℃储存24 h后,室温解冻;观察并拍摄冻融前后的外观照片以评估乳液的冻融稳定性。

1.3.7 数据分析

每次试验至少重复3次,数据以平均值±标准偏差的形式进行表示,用SPSS 18.0和Origin 2019对试验数据进行分析、作图,采用LSD法对数据进行显著性分析,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 PSPP浓度对乳液特性的影响

2.1.1 乳液的外观图及微观形貌

由图1-a乳液外观及微观图像可知,所有浓度下的PSPP均可制备乳液。随着PSPP添加量的增大,乳液析水量逐渐减少。当PSPP添加量达到2.0%～3.0%时,乳液不再析水。微观结果表明,随着PSPP添加量的增加,大液滴的数目逐渐减小,液滴呈现逐渐均匀且减小的状态。当PSPP添加量达到3.0%时,液滴尺寸最小且分布均匀。这归因于随着PSPP的添加,更多的PSPP分子吸附在油水界面上,在一定程度上减少了乳液的聚集和絮凝,并形成了致密的网络结构,从而降低乳液液滴之间的碰撞,保留较小的乳液液滴[10]。此外,乳液稳定性在很大程度上与液滴大小有关,尺寸越小的液滴稳定性相对越高,而尺寸较大的液滴容易在运输或储藏过程中发生分离和聚集,从而使乳液结构受到破坏[11]。

a-外观、微观图;b-液滴尺寸分布图图1 不同质量分数PSPP制备的乳液外观、微观图和液滴尺寸分布图像Fig.1 The appearance and micromorphology of emulsions prepared with different PSPP concentrations, and images of particle size distribution in water

2.1.2 液滴尺寸

由图1-b液滴尺寸分布可得,随着PSPP浓度地增加,乳液的液滴分布峰由300 μm向40 μm偏移,意味着更小液滴的形成。粒径结果显示,随着PSPP添加量从0.5%增加至3.0%,乳液的d4,3由271.33 μm显著下降到43.23 μm(P<0.05),这可能是因为随着PSPP添加量的增加,更多的PSPP颗粒可以快速吸附在油界面并覆盖油滴,导致液滴尺寸减小[12],这与微观结构的结果一致。通常情况下,液滴尺寸越小,乳液稳定性相对越高[11]。TANG等[13]研究发现随着大豆蛋白浓度的增加,形成乳液的d4,3由约24 μm逐渐降低到14 μm并具有更好的储存稳定性。

2.1.3 乳液的流变学性质

为研究不同PSPP添加量对乳液流变学特性的影响,对乳液的黏度、频率扫描和温度扫描进行了相关测定。线性黏弹区测定结果显示(图2),PSPP添加量0.5%的乳液样品不具有稳定的线性黏弹区,并且宏观可观察到放置一段时间后出现分层现象,说明该颗粒浓度下PSPP不足以稳定油水界面,形成的乳液不稳定。因此后续的流变研究舍去此样品,应变设置为0.1%(线性黏弹区内)。

图2 不同PSPP浓度的乳液的线性黏弹区测定曲线Fig.2 Linear viscoelastic zone determination curves of emulsions with different PSPP concentrations

从图3-a可知,随着剪切速率的升高(0.1～100 s-1),所有乳液的黏度逐渐降低,表现出剪切稀化的行为,属于非牛顿流体中的假塑性流体[14]。同时,随着PSPP添加量的增加,乳液的表观黏度增加,说明乳液的稳定性增加,其原因可能是随着PSPP浓度的增加,在乳液中形成了更致密的网络结构[15]。

a-黏度;b-角频率图3 不同PSPP添加量乳液的黏度和角频率的变化Fig.3 Changes in the viscosity and angular frequency of emulsions with different PSPP concentrations

如图3-b所示,乳液的模量随PSPP添加量的增大而增大,且各样品的G′均大于G″,表现出典型的弹性凝胶行为[16]。当角频率较低(0.1～10 rad/s)时,乳液的模量随角频率的增大而减小,而当角频率继续增大时,模量明显上升,且始终保持G′>G″的弹性结构主导体系,表明乳液均具有较好的稳定性[14]。这是因为PSPP添加量的升高促进蛋白的界面吸附,增加了界面上颗粒的相互作用,形成稳定的网络结构,从而提高了模量和乳液的稳定性[16]。

从温度扫描曲线(图4)可观察到,在升温阶段,在低PSPP添加量下(1.0%),样品的G′随温度的升高呈现持续降低的趋势,并出现了G′和G″的交点,表明体系由凝胶转为溶胶,乳液稳定的结构被破坏[17]。在高PSPP添加量下(1.5%～3.0%),样品的G′随着温度升高而逐渐降低后趋于平缓,说明乳液的稳定性较强。这可能是因为在低PSPP添加量下(1.0%),温度的升高破坏了液滴之间的相互作用和脆弱的三维网络结构,增加了液滴的流动性,使液滴间更易发生碰撞,进而降低了G′。随着PSPP添加量的增加(1.5%～3.0%),更多的蛋白可以覆盖在油滴表面,增加了液滴的相互作用并形成了紧密的三维网络结构,使乳液具有更高的G′值和更好的热稳定性[18]。

图4 不同PSPP添加量乳液的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随温度的变化Fig.4 Changes of energy storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of emulsions with temperature for different PSPP concentrations

降温过程中,所有样品的模量均发生不同程度的升高,但无法达到加热前的模量,说明乳液的结构在高温条件下受到了一定程度的破坏[10]。此外,高PSPP添加量(1.5%～3.0%)的乳液在温度变化中始终保持G′大于G″,说明该温度范围内,乳液主要呈现弹性行为,结构较为稳定,这一现象也随着PSPP添加量的升高更加明显[19]。

2.2 乳液稳定性评价

2.2.1 储存稳定性测定

如图5-a所示,随着储存时间的延长(0～30 d),乳液下层析水量逐渐增加;而随着PSPP添加量的增加,乳液析水现象逐渐被抑制,这主要是由于更多的PSPP颗粒参与了界面以及紧密网络结构的形成,增加乳液黏度,从而改善了乳液的储藏稳定性和持水力[12]。微观结果显示(图5-b),随着储藏时间的延长,乳液微观结构的变化不明显,这可能是因为在低温储藏条件下乳液的流动性降低,减少了液滴的相互碰撞和聚集增大[20]。综上,增加PSPP浓度能够抑制乳液储藏析水现象,提高乳液的储存稳定性。

2.2.2 离心稳定性测定

从图6可知,在低PSPP添加量下(0.5%),乳液由于离心的破坏力发生严重的相分离,产生大量的油和水,较少的乳液被保留。随着PSPP质量分数的增加(1.0%～3.0%),乳液相分离现象被抑制,更多的乳液被保留。原因可能是在低PSPP添加量下(0.5%),乳液形成的网络结构比较脆弱,导致毛细血管力、持水以及持油性较差,在离心力的作用下,部分紧密堆积的液滴会发生断裂和聚结,导致油水分离[21]。而随着PSPP的添加,更多的PSPP参与界面以及紧密网络结构的形成,这有助于乳液在离心过程中抵抗变形,并且通过增强毛细管力进一步增强保水和包油能力[21]。

图6 不同PSPP浓度的乳液离心前后的外观图像Fig.6 The appearance of emulsions with different PSPP concentrations before and after centrifugation

2.2.3 冻融稳定性测定

冷冻是食品常用的保存方式之一,大部分乳液食品都需要经历冷藏,或冷冻后再解冻的过程,因此,良好的冻融稳定性能够拓展乳液的应用场景。如图7所示,所有乳液冻融后均发生相分离现象,意味着乳液具有较差的冻融稳定性。这是因为冷冻过程中水相会比油相先形成晶体,迫使未结晶的乳液液滴进入尚未冻结的水中,造成乳液液滴堆积密集[22];同时,冷冻过程中冰晶可破坏乳液中蛋白质界面膜,从而在解冻时出现析油、破乳等现象[23]。随着添加量的增加,乳液的相分离现象逐渐被抑制,意味着乳液冻融稳定性逐渐被改善,归因于PSPP的增加使水相中的溶质增加,从而在一定程度上降低了水相凝固点,缩小了水相和油相凝固的温度差,减少水形成的晶体数量,液滴聚集情况得到改善[24]。此外,随着浓度的增加,促进了乳液紧密网络结构的形成,这一定程度上抑制了冰晶的破坏,因此对乳液的破坏程度也有所减小,乳液析油和析水的程度减轻,表现出更好的冻融稳定性。

图7 不同PSPP浓度的乳液冻融前后的外观图像Fig.7 The appearance of emulsion with different PSPP concentrations before and after freezing and thawing

3 结论

本文主要研究了不同PSPP质量分数(0.5%～3.0%)对乳液的理化性质的影响。随着PSPP添加量的增加,更多的PSPP颗粒可以覆盖油滴,进而降低了乳液液滴尺寸,提高乳液持水力,当PSPP质量分数达到2.0%～3.0%时,乳液不再析水,稳定性最高;同时,PSPP添加量的增加促进了颗粒在界面的吸附和乳液中紧密三维网络结构的形成,增加了界面上PSPP的相互作用,从而提高了乳液的表观黏度、模量和热稳定性,进而改善了乳液的储藏、离心、冻融稳定性。因此,本文可为PSPP作为乳化型功能性组分在肉制品加工中应用提供理论依据和指导意义。